APPLICAZIONI DI TECNOLOGIE AVANZATE PER IL MONITORAGGIO DI ... · attenzione allo sviluppo di...

La Difesa della Montagna. Convegno Nazionale. Assisi, 11 – 12 dicembre 2002

APPLICAZIONI DI TECNOLOGIE AVANZATE PER IL MONITORAGGIO DI FENOMENI DI DINAMICA DI VERSANTE

P. ALLASIA, M. BALDO, F. GODONE, G. LOLLINO, G. NIGRELLI

CNR – IRPI Sezione di Torino. Strada delle Cacce, 73 – 10135 TORINO, tel: 0113977411, fax: 011343574, e-mail: [email protected]

SOMMARIO Il rapido sviluppo della tecnologia ha consentito notevoli progressi nelle tecniche di monitoraggio. Nel controllo dei fenomeni naturali, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione allo sviluppo di sistemi di monitoraggio innovativi che consentano di ottene-re parametri sempre più precisi e affidabili per una migliore interpretazione di tali fe-nomeni. La sezione di Torino dell’Istituto di Ricerca per la Protezione Idrogeologica, da tempo opera nella messa a punto di sistemi di controllo e misure in aree interessate da dissesti naturali. Recentemente è stata sviluppata una nuova apparecchiatura nel campo delle misure inclinometriche, progettata per funzionare in automatico e con controllo a distanza di fenomeni franosi che coinvolgono centri abitati, infrastrutture stradali e ferroviarie, siti di interesse storico. Il Sistema Inclinometrico Automatizzato, brevettato all’Istituto di Ricerca per la Prote-zione Idrogeologica di Torino, è concepito per il rilevamento remoto e in continuo dei movimenti profondi di versante, al posto delle tradizionali “colonne inclinometriche fisse”. Questa strumentazione è già stata installata in aree con differenti caratteristiche geolo-giche per il controllo di importanti frane nelle Alpi e negli Appennini. Il controllo delle frane di Corniglio (PR), di Casoletta (RE) e di Cabella Ligure (AL), ha permesso di sperimentare il sistema e di verificarne le notevoli potenzialità, quali la determinazione della velocità ed accelerazione dei movimenti profondi, nonché la cor-relazione tra questi e gli eventi meteorici. A seguito di un contratto con la Provincia di Torino, teso alla realizzazione di una ban-ca dati informatizzata e georeferenziata (ArcView GIS) dei fenomeni di dissesto natura-li che hanno interessatole infrastrutture viarie del territorio provinciale, sono stati individuati alcuni siti particolarmente a rischio su cui installare reti di monitoraggio. In Val Germanasca (TO), è stata installata una stazione totale robotizzata e una rete di estensimetri a filo di superficie, per il controllo in continuo e remoto di un movimento franoso che interessa un tratto di viabilità provinciale, anche in questo caso sono state individuate delle importanti correlazioni fra gli eventi meteorici e i movimenti di super-ficie. Il controllo dei movimenti di superficie, viene inoltre indagato con periodici rilievi GPS di alta precisione, nonché con reti GPS fisse con controllo a distanza e in continuo ove il fenomeno franoso interessa aree di difficile accessibilità. Le stesse misure, vengono inoltre utilizzate per tarare dati provenienti da piattaforma satellitare SAR.

P. ALLASIA, M. BALDO, F. GODONE, G. LOLLINO, G. NIGRELLI 2

1 IL SISTEMA INCLINOMETRICO AUTOMATIZZATO (SIA)

Il Sistema Inclinometrico Automatizzato è stato concepito per superare i limiti delle tradizionali “colonne inclinometriche fisse” che presentano lo svantaggio di monitorare soltanto alcuni punti della verticale inclinometrica, spesso inadeguati, sia come numero che come posizione. Il SIA indagando con continuità per tutta la lunghezza del tubo (passo delle misure 0,5 m) permette invece di restituire una deformata inclinometrica pressoché continua, con valori di movimento molto più realistici e correlabili con i dati pluviometrici e piezometrici anch’essi acquisiti in continuo.

1.1 La grande frana di Corniglio (PR):

Localizzata nell’Alta Val Parma, la frana di Corniglio costituisce il maggiore movi-mento gravitativo verificatosi in questi anni in Italia. Il dissesto rappresenta, in realtà, la riattivazione periodica di una grande frana storica nota da almeno 500 anni: segnalata in un estimo catastale del 1559, risulta poi ben documentata nel 1612, 1740 e 1902.

La rimobilizzazione più recente si è registrata nel novembre 1994 a seguito di inten-se e prolungate piogge: nei 30 giorni precedenti sono caduti 859 mm (valore pari alla pioggia media di un anno a Torino) e ben 3158 mm nei 360 giorni prima. Per tutto il periodo 1994-2000 la frana alterna movimenti repentini e periodi di stasi. Il bilancio dei danni risulta impressionante: sono stati completamente distrutti 70 edifici per lo più di recente costruzione, ivi compresi la totalità degli stabilimenti per la stagionatura del fa-moso prosciutto di Parma.

I movimenti hanno provocato lesioni nei fabbricati e minacciano tuttora il borgo medioevale del capoluogo; l’avanzamento del piede della frana determina un restringi-mento di 40 m dell’alveo del T. Parma, il suo eventuale sbarramento formerebbe un in-vaso con capacità di oltre 1 milione di m³, in grado di minacciare un esteso tratto del fondovalle.

Il SIA installato in codesta zona ha rappresentato un’avanguardia molto importante per lo sviluppo di questa moderna tecnologia, infatti lo strumento qui installato non era dotato del meccanismo di lettura in posizione coniugata (sonda ruotata di 180°) che permette di annullare alcuni degli errori sistematici (effetti termici, deriva strumenta-le..). Per ovviare a tale limite sono state utilizzate tecniche statistiche di filtraggio e va-lidazione delle misure, che hanno fornito dati pienamente congruenti con quelli ricavati da rilievi tradizionali. La frana in questione ha rappresentato un vero e proprio campo di controllo, taratura e collaudo della validità del SIA che attualmente integra un meccani-smo di lettura in posizione coniugata per eliminare gli errori strumentali.

La Difesa della Montagna. Convegno Nazionale – Assisi 11-12 Dicembre 2002

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Figura 1. Deformate inclinometriche corrette, elaborate per punti ed in termini di spostamenti integrali, effet-tuate dal SIA nel tubo A5-2. Una superficie di scorrimento ben definita si individua alla profondità di 14 m,

con movimenti che perdurano per l’intero periodo esaminato (gennaio-giugno 1999)

Figura 2. Velocità ed accelerazioni dei movimenti rilevati con il SIA nel periodo 27/04/1999 - 29/01 nel foro A5-2. Gli spostamenti giornalieri evidenziano un andamento regolare ed abbastanza costante, con velocità di

0,04 – 0,06 mm/giorno, e i valori di accelerazione pressoché costanti.


1.2 La frana di Casoletta (RE):

La frana di Casoletta, situata presso il margine più ad est del gruppo appenninico settentrionale, è una tipica paleo-frana riattivatasi nell’ottobre 1995, causando situazioni di forte rischio idrogeologico. L’abitato di Casoletta è infatti situato al piede di tale fra-na ed è interessato, insieme al collegamento stradale principale ed alla linea elettrica ad alta tensione, da questo fenomeno di dissesto. Anche in questo caso, il Sistema Inclino-metrico Automatizzato, posto nella parte bassa dell’area in frana, controlla in continuo l’evolversi del fenomeno. Il grafico mostra come si siano individuate due distinte super-fici di scivolamento, poste a differenti profondità. Infatti, la posizione del tubo inclino-metrico alla confluenza di due fenomeni franosi, uno principale più profondo e com-plesso con approfondimento della superficie di scorrimento a circa 12 m e l’altro latera-le più superficiale assimilabile ad una colata (4÷5 m di spessore), ha permesso di osser-vare come la velocità di spostamento dell’ammasso laterale sia maggiore e come esso risenta più direttamente delle condizioni meteo-climatiche.

Figura 3 . Risultati SIA: Spostamenti integrali a partire dal 16/03/2001

I dati rilevati dal Sistema Inclinometrico si sono rivelati di eccellente qualità e grazie al meccanismo di rotazione automatica della sonda, privi di errori sistematici. I risultati ottenuti rappresentano una notevole applicazione della tecnologia inclinometrica sia in termini qualitativi che qualitativi. Il grande numero di misure non affette da errori gros-solani e sistematici, ha consentito di definire una campo di moto continuo sia in termini temporali che di profondità. I risultati ottenuti sul campo sono assolutamente congruenti con quelli universalmente riconosciuti dalla bibliografia specializzata.


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1.3 La frana di Cabella Ligure (AL):

In località Montaldo di Cosola (Comune di Cabella Ligure, Provincia di Alessan-dria), a seguito degli eventi alluvionali dell’autunno 1993, vi fu la riattivazione di un movimento franoso che si sviluppò su un accumulo detritico, di spessore variabile tra i 20 ed i 35 m attribuibile ad un antico episodio franoso, localizzato sopra un substrato di alterazione calcareo-marnoso. La frana, innescata dall'incisione del Rio Montaldo, ha una geometria probabilmente rotazionale e si esplica attraverso lenti ma continui movi-menti. In funzione di quanto riscontrato, nell’ambito di un contratto di ricerca con la Regione Piemonte-Direzione Servizi Tecnici di Prevenzione, il CNR-IRPI Sezione di Torino ha installato un Sistema Inclinometrico Automatizzato (SIA).

In seguito agli eccezionali eventi meteorici verificatisi nell’ottobre 2000, il SIA ha registrato degli spostamenti puntuali significativi a circa 13,5 metri di profondità (Figu-ra 5), in corrispondenza di uno strato argilloso intercalato tra due strati di limo-sabbioso. Nei mesi seguenti a tale movimento, sono state eseguite delle analisi statistiche sui valo-ri delle piogge giornaliere, al fine di individuare una possibile relazione esistente fra da-ti pluviometrici e movimenti della frana. I risultati di tali studi hanno evidenziato un so-stanziale ritardo fra picchi di eventi pluviometrici e massimi di spostamenti rilevati, quantificabile mediamente in 8÷10 giorni (Fig. 5) ed a questo intervallo di tempo, la correlazione lineare positiva fra le variabili esaminate ha raggiunto i massimi valori di significatività.

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1

Figura 4. Deformata inclinometrica elaborata per punti, spostamenti integrali e profilo stratigrafico; indicati-vamente si possono individuare uno strato superficiale di materiale fine (1), ed uno più profondo di matrice rocciosa (2). La superficie di scorrimento è individuabile in uno strato argilloso compatto intercalato tra due

strati di limo sabbioso.


0

20

40

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16/09/2000 15/11/2000 14/01/2001 15/03/2001

Rai

nfal

ls [m

m/d

ay]

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,90

Dis

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ts [c

m/d

ay]

rainfalls displacements

Figura. 5 Correlazione tra precipitazioni e spostamenti

2 IL SISTEMA DI MONITORAGGIO SPERIMENTALE DI GARDIOLA (COMUNE DI SALZA DI PINEROLO)

2.1 INQUADRAMENTO AMBIENTALE

A seguito delle intense precipitazioni e delle particolari condizioni meteoclimatiche verificatesi tra il 13 e il 16 ottobre 2000, i bacini del Piemonte nord-occidentale sono stati interessati da fenomeni diffusi di piena fluviale, torrentizia e di frana. In particola-re, tale evento alluvionale ha provocato l’attivazione di un fenomeno franoso lungo il versante sinistro della Val Germanasca, nel territorio comunale di Salza di Pinerolo, tra le progressive Km 14+800 e Km 15+000 (Piemonte occidentale).

Il rilievo sull’area instabile, metteva in risalto l’esistenza di un’ampia area di frana coinvolgente sia il tratto di strada citato sia i settori di versante immediatamente più a ovest e più ad est. La morfologia e le dimensioni dell’area instabile potevano inoltre portare, in caso di collasso, allo sbarramento del fondovalle. Si manifestava quindi, l’urgenza di controllare in continuo l’evoluzione del fenomeno per individuare le possi-bili azioni per la mitigazione del rischio.

2.2 LA STAZIONE TOTALE ROBOTIZZATA

Ai fini di monitorare l’andamento del fenomeno di dissesto, sul versante opposto a quel-lo oggetto di studio è installata una stazione totale servoassistita di precisione con si-stema automatico di collimazione, il tutto alloggiato in un abitacolo di protezione.


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Figura 6. Alloggiamento della stazione totale robotizzata

Il sistema è programmato per eseguire le misure (cicli) ad intervalli di tre ore, tali dati vengono inviati tramite modem GSM alla stazione remota di controllo del C.N.R. – IRPI Sez. di Torino per l’elaborazione e l’interpretazione dei risultati.

2.3 ELABORAZIONE E COMPENSAZIONE DEI DATI

I grafici sotto riportati, mostrano lo storico dei movimenti del versante franoso a par-tire dal momento in cui è diventato operativo il sistema di monitoraggio topografico.

E’ possibile notare come esista una forte correlazione tra piogge giornaliere e mo-vimenti di versante.

In particolar modo: l’area delimitata dal primo cerchio mostra gli spostamenti conseguenti alle forti pre-

cipitazioni verificatesi durante l’alluvione del 16 ottobre 2000; l’area delimitata dal secondo cerchio mostra l’incremento dovuto alla fusione del

manto nevoso; L’area delimitata dall’ultimo cerchio, infine, mostra il leggero incremento nei mo-

vimenti rilevato dopo le precipitazioni del maggio 2001

0102030405060708090

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24/4/

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28/4/

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18/5/

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22/5/

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30/5/

013/6

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01

Piog

gia

[mm

]

012345678910

Mov

imen

ti Pr

ism

a 10

[cm

]

Figura 7. Relazione tra piogge giornaliere (tratteggio) e spostamenti (Prisma N°10) nel periodo 20/04/01 – 23/06/01


Figura 8. Relazioni osservate tra precipitazioni e riattivazione del fenomeno franoso


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2.4 RETE ESTENSIMETRICA

La necessità di integrare e/o disporre di un’alternativa in caso di guasto della stazio-ne robotizzata, ha suggerito di installare sul coronamento della frana 3 estensimetri potenziometrici a filo, costituenti una rete di controllo indipendente e il cui funzionamento non risente di condizioni meteoclimatiche avverse. Anche in questo caso il controllo è in continuo con trasmissione dati via modem GSM.

Figura 9,10. Centralina di acquisizione dati ed estensimetro a filo posto a cavallo della fessura da rilevare

Figura 11. Frana di Gardiola: Estensimetri a filo – spostamenti cumulati(a partire dal 23/02/2001)


0102030405060708090

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24/4/

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28/4/

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01

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[mm

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Figura 12. Estensimetri a filo, relazione tra piogge giornaliere (tratteggio) e spostamenti (Est. N°1) nel pe-

riodo 20/04/01 – 23/06/01

Come evidenziato dalla Fig. 11, l’andamento dei movimenti misurati con questa strumentazione risulta in perfetta sintonia con quello rilevato, nella medesima frana, dal teodolite robotizzato.

3 RILIEVI GPS DI ALTA PRECISIONE FINALIZATI AL CONTROLLO DELLA FRANA DI CORNIGLIO (PR):

Il miglioramento della precisione delle misure GPS, dovuto all’implementazione della costellazione satellitare; all’uscita di nuovi ricevitori con caratteristiche tecnologi-che sempre più avanzate ed all’affinamento delle tecniche di elaborazione e compensa-zione dei dati grezzi, ha reso sempre più appetibili tali tecnologie nel campo del rileva-mento topografico e geodetico. L’uso di tecnologie di rilievo satellitare permette infatti il raggiungimento di soglie di incertezza nella stima delle misure contenute, a seconda della tipologia ed esigenza di rilievo, in pochi millimetri, a fronte di una maggior versa-tilità del rilievo stesso e di semplicità di esecuzione. L’impiego di tecnologie di rilievo convenzionali, infatti, se da un lato consentono nella migliore delle ipotesi ellissi d’errore di qualche centimetro, dall’altro appesantiscono in maniera esasperata le pro-cedure e le modalità d’esecuzione. In quest’ottica, il gruppo di lavoro sul geomonito-raggio della sezione di Torino del CNR - IRPI, ha istituito numerose reti GPS (attual-mente 15) per il controllo dei movimenti di versante.

Delle numerose reti che il gruppo di monitoraggio rileva con periodicità, si riporta un esempio dei risultati ottenuti sul posizionamento assoluto, con i relativi indici di qua-lità, dei capisaldi presenti sulla frana di Corniglio (PR). A fianco degli identificativi dei punti, (Station), sono presenti i parametri che definiscono l’incertezza sul posiziona-mento planimetrico (A-B) e altimetrico (sd hgt) dei singoli punti, mentre la figura 13 mostra lo schema geometrico con orientamento N-E della rete GPS di controllo.


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Station A B A/B Sd Hgt 1 0.0014 0.0008 m 1.09 0.0023 m

10 0.0011 0.0010 m 1.01 0.0026 m 11 0.0026 0.0015 m 1.07 0.0051 m 12 0.0014 0.0010 m 1.04 0.0032 m 2 0.0010 0.0006 m 1.07 0.0017 m 3 0.0008 0.0008 m 1.01 0.0021 m 4 0.0015 0.0007 m 2.01 0.0018 m 5 0.0012 0.0008 m 1.05 0.0023 m 7 0.0016 0.0010 m 1.07 0.0026 m 8 0.0009 0.0007 m 1.02 0.0024 m 9 0.0013 0.0010 m 1.03 0.0019 m

Tabella 1. Caratteristiche qualitative sul posizionamento plano-altimetrico dei punti in frana. A e B identifi-cano i semiassi dell’ellisse d’errore planimetrico, A/B lo schiacciamento, mentre Sd Hgt è la deviazione stan-

dard sul dato altimetrico.

Figura 13. Schema geometrico della rete GPS di Corniglio

Per il monitoraggio superficiale di alcuni importanti fenomeni franosi (Corniglio (PR), Serre La Voute (TO), Caramanico (CH)), la metodologia del rilievo geodetico sa-tellitare GPS, verrà utilizzata come taratura dei risultati delle elaborazioni interferome-triche delle immagini provenienti da piattaforma satellitare SAR (Sintetic Aperture Ra-dar).

Attualmente, è in fase di ultimazione una rete costituita da sensori GPS di basso co-sto per il controllo in remoto ed in continuo (Fig. 14) della frana di crollo di Les Ayas situata in Val di Susa (TO). Questo monitoraggio completamente automatizzato e fun-zionante in continuo, ben si adatta al monitoraggio di zone particolarmente impervie, o con accessibilità ridotta durante l’anno. Il sistema è costituito da due sensori posti ester-namente al corpo di frana e che definiscono la geometria di compensazione delle misu-re, più un set di ricevitori consolidali al corpo franoso, che acquisiscono in continuo in-


formazioni dalla costellazione satellitare GPS, trasmettendo i dati al centro di monito-raggio del CNR- IRPI sezione di Torino, per le necessarie elaborazioni.

STAZIONI REMOTE

STAZIONE BASE CNR - IRPI di

TORINO

GESTIONE DEL SISTEMA

PROCESSAMENTO DATI

GESTIONE DATI

GESTIONE ALLARMI

Figura 14. Sistema di monitoraggio GPS continuo

CONCLUSIONI L’applicazione di tecnologia avanzata al monitoraggio dei movimenti franosi ha mi-

gliorato notevolmente le metodologie di analisi e modellazione di fenomeni di dissesto complessi. Tali migliorie consentono di prevedere con buona attendibilità l’evoluzione del fenomeno e di definire possibili scenari di rischio. Le grandi quantità di dati, la loro precisione e affidabilità sono alla base di tale evoluzione; grazie a strumentazioni avan-zate che forniscono misure in automatico ed in continuo è possibile descrivere in modo più completo le condizioni e le leggi che governano questi eventi. Con tali premesse, gli studi si stanno orientando verso la ricerca di eventuali soglie di innesco, elementi molto importanti per la mitigazione dei rischi idrogeologici. Queste operazioni richiedono pe-riodi di osservazioni sufficientemente lunghi e i dati rilevati devono essere il più possi-bile continui, affidabili e precisi. La consistenza, la continuità e la ricerca di metodolo-gie innovative sono le peculiarità che caratterizzano i siti monitorati dal CNR-IRPI Sez. Torino, che ha così ottenuto buoni risultati nella previsione e nella definizione di scena-ri di rischio. Torino, che ha così ottenuto buoni risultati nella previsione e nella defini-zione di scenari di rischio.

Ringraziamenti. Gli autori esprimono un sentito riconoscimento al geometra Renato MASSOBRIO per la progettazione e l’allestimento dei siti monitorati.

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